近日，精密测量院研究员周欣研究团队，发展多配体工程策略构建多配体金属有机框架（MTV‑MOFs）材料。在超极化129Xe物理增强信号的基础上，通过精准调控金属有机框架（MOFs）材料孔道微环境与129Xe相互作用，借助超极化129Xe化学交换饱和转移技术（Hyper‑CEST），实现超极化129Xe磁共振信号化学-物理级联增强6个量级，助推MOFs材料应用于超灵敏磁共振分子影像的发展进程，拓宽其在生物医学领域的应用范围。相关研究成果于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。
该研究以“Engineered Multivariate Metal-Organic Frameworks for Magnetic Resonance Molecular Imaging Signal Enhancement”为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。精密测量院博士生王珍与副研究员曾庆斌为共同第一作者，研究员周欣、研究员郭茜旎为共同通讯作者。
科研动态
精密测量院在多配体金属有机框架助力超灵敏磁共振分子影像研究方面取得重要进展
近日，精密测量院研究员周欣研究团队，发展多配体工程策略构建多配体金属有机框架（MTV‑MOFs）材料。在超极化129Xe物理增强信号的基础上，通过精准调控金属有机框架（MOFs）材料孔道微环境与129Xe相互作用，借助超极化129Xe化学交换饱和转移技术（Hyper‑CEST），实现超极化129Xe磁共振信号化学-物理级联增强6个量级，助推MOFs材料应用于超灵敏磁共振分子影像的发展进程，拓宽其在生物医学领域的应用范围。相关研究成果于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。
超极化129Xe MRI是一种高灵敏度、无背景干扰的成像技术，已用于肺部重大疾病的检测。周欣带领的超灵敏磁共振研究团队，基于自主研发的超极化技术，将信号增强十万倍以上，并成功研制出全球首套“人体肺部气体MRI系统”。该系统已获国家三类创新医疗器械注册证，并在全国十余家三甲医院临床应用，为慢阻肺、肺癌等疾病的早期筛查与无创评估提供了国际领先的技术方案。将超极化129Xe通过分子笼进行有效封装与富集，然后结合Hyper-CEST技术，可进一步提升检测灵敏度，实现对痕量目标物的超灵敏检测。目前，常用129Xe分子笼面临129Xe捕获效率低、笼内信号弱等问题。因此，开发新型129Xe分子笼、增强笼内129Xe信号强度，对于推动超灵敏磁共振分子影像技术向临床实际应用迈进具有重要的现实意义。
2025年诺贝尔化学奖授予了MOFs材料领域的奠基人——Omar M. Yaghi教授，曾指出，MOFs材料在生物医学领域（包括药物递送、生物传感和医学成像）具有极为广阔的应用前景。此前，周欣团队发现MOFs材料中的ZIF-8对129Xe显示出优异的亲和力（PNAS, 2020），并通过在其框架中引入多种金属调控129Xe-MOF相互作用，进而增强129Xe信号（Nature Communications, 2025）。然而金属中心修饰难以对129Xe所处的局域电子环境实现精细调控。
本研究中，研究团队创新性的提出了多有机配体工程策略，在原子尺度上调控孔道极性、氢键网络，从而精准调控129Xe-MOF相互作用，进而增强129Xe信号。研究团队以水稳定性优异的CAU‑1为骨架，采用多配体策略，将2-羟基对苯二甲酸和2-氨基对苯二甲酸配体整合至同一MOF晶格，构筑系列CAU‑1‑(OH)x‑(NH2)1-x多组分MOF。通过调控两类配体的摩尔比例，在孔道内搭建协同氢键网络，实现孔道微环境以及129Xe-MOF主‑客体相互作用的连续调控。研究表明，当羟基与氨基配体配比为1:1时，得到的CAU‑1‑(OH)0.5‑(NH2)0.5信号增强效果最佳，其Hyper‑CEST信号最高可达单组分CAU‑1的65倍，呈现“1+1>2”的协同增强效应。多种表征手段与理论计算证实，多配体工程构建的协同氢键网络能够适度抑制水分子进入孔道，形成适宜的孔道结合环境，平衡129Xe吸附能力与化学交换过程，进而实现磁共振信号的大幅提升。细胞实验显示，CAU‑1‑(OH)0.5‑(NH2)0.5可被A549肺腺癌细胞内吞，进入活细胞后，仍具有较强的129Xe捕获能力，在活细胞内实现Hyper-CEST分子成像。细胞MRI表明，采用多配体工程策略可在原子尺度上精准调控MOF孔道的化学环境，使其更适用于在生物体系中捕获129Xe原子，从而增强其129Xe MRI信号，具备生物医学应用的潜力。
该工作首次将多配体工程策略拓展至129Xe分子笼的构筑领域，开辟了一条有别于过去金属位点掺杂路线的全新技术路径。研究从有机配体层面出发，在原子尺度上实现了对MOF孔道化学环境的精准调控，为高性能129Xe分子笼的理性设计提供了理论指导。未来，在金属位点掺杂和多配体策略的协同发展下，将推动基于129Xe MRI的分子影像向着活体、无损、特异性靶向检测的方向迈进。
(a) CAU‑1‑(OH)x‑(NH2)1-x的合成流程与结构示意图。(b)和(c) 单组分MOF与多组分MOF Hyper-CEST效果对比和定量分析结果。(d)多组分MOF在溶液中的Hyper-CEST成像效果。(e) 单组分MOF与多组分MOF在活细胞内Hyper-CEST成像效果对比。(f)细胞电镜图片表明MOF材料被细胞内吞。
该研究以“Engineered Multivariate Metal-Organic Frameworks for Magnetic Resonance Molecular Imaging Signal Enhancement”为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。精密测量院博士生王珍与副研究员曾庆斌为共同第一作者，研究员周欣、研究员郭茜旎为共同通讯作者。
该研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院等项目支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/jacsat/article/doi/10.1021/jacs.6c11301